一次冰雹云天氣過程不同波段雷達回波對比分析

曹 水,鄒書平,曾 勇,楊 亭,楊 哲

(1.貴州省冰雹防控工程技術中心,貴州 貴陽 550081;2.貴州省大氣探測技術與保障中心,貴州 貴陽 550081;3.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽 550081;4.貴州省氣象災害防御技術中心,貴州 貴陽 550081)

0 引言

貴州省地處云貴高原，境內多高原山地，地形復雜多變，小范圍的短時強降水、冰雹等災害性天氣頻發。省內固定式新一代天氣雷達多建設在觀測區域內高海拔的地方，在相對低海拔地區出現小范圍災害性天氣時，雷達低仰角觀測過程中容易出現雷達波束被山體遮擋和出現觀測盲區等情況，增加了短時臨近災害性天氣預報預警和人工防雹等工作的難度。移動方艙式X波段全固態雙偏振多普勒天氣雷達(以下簡稱移動X波段天氣雷達)與固定式新一代天氣雷達相比，具有優良的機動性、可維護性、全天候連續觀測能力和運行穩定等工作能力，可為固定式新一代天氣雷達填補低層觀測空缺、為山區及重點監測區域提供精細的觀測資料作補充，同時在小范圍災害性天氣短時臨近預報和人工防雹作業指揮等方面具有很好的指導意義[1-2]。

移動方艙式X波段全固態雙偏振多普勒天氣雷達(以下簡稱移動X波段天氣雷達)于2017年4月進入貴州，為進一步更好的驗證移動X波段天氣雷達在冰雹云降雹過程中的觀測效果，本研究通過移動X波段天氣雷達和貴陽C波段新一代多普勒天氣雷達(以下簡稱貴陽C波段天氣雷達)對冰雹云觀測過程中，雷達回波特征變化進行對比分析，驗證移動X波段天氣雷達觀測效果。

由于不同云雨粒子的Z值范圍很大，通常又用dBz度量云雨的強度，其定義為：

dBz=10lg(Z/Z0)，Z0=1 mm6/m3。

這樣用dBz表示回波強度，它只取決于氣象目標物本身，與雷達參數、目標距離無關[4]。

1 雷達主要參數對比

本文使用的移動X波段天氣雷達采用波導開關和功分器實現雙發雙收和單發雙收工作方式，發射水平和垂直兩種極化方式的電磁波。這兩種不同極化狀態的電磁波照射到各種降水粒子上，其后向散射回波中包含了粒子的狀態信息，雷達根據回波的這些性質，對雙偏振參數的估算，推導出降雨量、降水粒子的形狀、尺寸、指向、相態和滴譜分布和降水類型。移動X波段天氣雷達相比貴陽C波段天氣雷達具有發射功率低、天線直徑小和可移動性等優勢，而且短波段對弱氣象目標物有靈敏的探測能力。雖然長波段雷達仍然是今后對大尺度天氣系統監測的主要選擇，但研究X波段雷達對科學提升防災減災能力有重要意義[5]。兩部雷達主要參數見(表1)。

表1 兩部雷達主要參數對比Tab.1 The Two Radars of Main Parameters Comparison

2 資料選取和預處理方法

本文選取2018年3月12日貴州清鎮、修文境內出現的一次冰雹天氣過程，因移動X波段天氣雷達最大探測距離、山體遮擋等問題，選取雷達數據為19時33分—21時33分之間的體掃基數據。在等高面反射率因子和組合反射率對比分析過程中，本文只分析辛店(20時05分)和暗流(20時33分)的兩次降雹數據。降雹點地理位置見圖1，降雹數據見表2。

圖1 雷達站與降雹點分布圖Fig.1 The Radar Station and Hail Points

表2 降雹數據記錄表
Tab.2The Hail Data recrod chart

降雹點名稱經度/°N緯度/°E降雹時間冰雹直徑/mm辛店106.229426.826420∶0514暗流106.352526.816720∶3314谷堡106.493326.847820∶595修文106.598126.851121∶276

兩部雷達采用不同的體掃模式(表3)，且兩部雷達波長不同，探測距離不等、電磁波衰減和降水系統變化等因素影響，很難進行同步觀測，為了盡可能的減小觀測數據在時間上的差異，選取貴陽C波段天氣雷達體掃數據為基準。在雷達資料處理過程中對地物回波及其他雜波進行識別處理，以消除非氣象回波對真實數據的干擾。

3 雷達回波對比分析

在分析兩部雷達回波空間分布和時間連續性時，為了更好的顯示兩部雷達在相同觀測區域的回波強度分布特征，本文選取等高平面反射率(CAPPI)、組合反射率(CR)和最大回波強度值3個方面進行對比分析。

表3 兩部雷達體掃模式對比Tab.3 The Volume scan Modes Comparisons of Two Radar

在進行對比分析之前，本文對兩部雷達回波的定位準確性方面進行了一次比較(表4)，通過地面降雹點經緯度與雷達站經緯度，根據三角函數推導可得出兩部雷達與降雹點的實際距離，并利用雷達顯示軟件找出雷達回波強中心點位置，從兩部雷達的回波中發現，兩部雷達在辛店和修文的誤差在4～6 km左右，但在暗流和谷堡處，貴陽C波段雷達的誤差為1 km之內，誤差較小。

3.1 等高平面反射率因子(CAPPI)對比分析

雷達等高平面反射率因子(CAPPI) 能夠直觀的描述出降水云系的垂直與水平特征，是對雷達資料進行詳細分析的必要手段[6-7]。

表4 移動X波段、貴陽C波段雷達與降雹點的實際距離和雷達地圖軟件中回波中心顯示距離(單位：km)Tab.4 The actual distance between the moving x-band radar and the C band radar and the hail point and the display distance of echo center in radar map software(Unit:km)

圖2、圖3分別是貴陽C波段天氣雷達(20時01分、20時30分)和移動X波段天氣雷達(20時03分、20時33分)3 km、4 km、5 km的CAPPI對比圖。通過對比兩部雷達CAPPI發現，在高度3 km時，移動X波段天氣雷達探測到強回波中心靠近雷達處有一塊遮擋回波，當高度在5 km時，遮擋回波消失。

圖2 a:貴陽C波段天氣雷達(20時01分)與b:移動X波段天氣雷達(20時03分)CAPPI對比圖Fig.2 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶01) and Mobile X-band Weather Radar (20∶03) in CAPPI

圖3 a:貴陽C波段天氣雷達(20時30分)與b:移動X波段天氣雷達(20時33分)CAPPI對比圖Fig.3 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶30) and Mobile X-band Weather Radar (20∶33) in CAPPI

提取兩部雷達在3 km、4 km、5 km高度層中的反射率因子回波強度值(表5)，從表中可以看到移動X波段天氣雷達比貴陽C波段天氣雷達的反射率因子強度值小，其中最大值相差18 dBz，平均值相差15 dBz。分析原因可能由以下兩點造成[8-10]：

①移動X波段天氣雷達波長一般為3 cm，比C波段天氣雷達波長短，由于波束穿過回波區時發生反射和散射等現象，雷達波束產生衰減，探測能力下降，雷達回波值偏小；

②需要根據現場實際情況進行雷達標定和設置合理的掃描模式，在最大程度上對天氣系統進行及時準確的描述和精確的探測。

表5 3 km、4 km、5 km CAPPI最大反射率因子(單位：dBz)Tab.5 The Radar Maximum reflectivity factor of 3 km,4 km and 5 km CAPPI(Unit:dBz)

3.2 組合反射率(CR)對比分析

組合反射率(CR)是用體積掃描得到的反射率三維數據處理得到的、反映監測范圍內降水云體中最大回波強度值水平分布的圖像產品。

圖4、圖5是貴陽C波段天氣雷達(20時01分、20時30分)和移動X波段天氣雷達(20時03分、20時33分)組合反射率對比圖。從兩部雷達組合反射率圖中可以看出，移動X波段天氣雷達在強回波中心的前部有一塊靠近雷達站的回波，分別有一塊強度在30～40 dBz左右的回波。兩部雷達回波強度在降雹中心區及回波強度值較大的區域具有一定的相似性。

圖4 a:貴陽C波段天氣雷達(20時01分)與b:移動X波段天氣雷達(20時03分)CR對比圖Fig.4 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶01) and Mobile X-band Weather Radar (20∶03) in CR

圖5 a:貴陽C波段天氣雷達(20時31分)與b:移動X波段天氣雷達(20時33分)CR對比圖Fig.5 The Guiyang C-band Weather Radar (20∶01) and Mobile X-band Weather Radar (20∶03) in CR

3.3 最大回波強度值對比分析

圖6是兩部雷達回波最大強度值隨時間變化的折線圖。通過回波強度時序變化趨勢，結合表2的降雹時間，兩部雷達的最大回波強度具有一定的一致性波動起伏的變化特征。

圖6 2018年3月12日19時27分—21時22分雷達回波最大強度時序變化圖Fig.6 The Radar Echo Maximum Strength of Temporal Variation(2018-03-12 19∶27—21∶22)

4 結論與討論

本文未對兩部雷達進行共同掃描區域分析，且兩部雷達波束、掃描方式和探測方向不同，所以兩部雷達在對同一探測范圍內的云體進行探測時，雷達回波強度值對比結果存在差異。

兩部雷達回波存在一定的空間分布相似性，空間分布特征為越靠近回波強中心區，空間分布越相似，最大回波強度隨降雹時間發生變化，具有一定的一致性波動起伏變化特征；但是移動X波段天氣雷達可以觀測到更靠近地面云體，對貴陽C波段天氣雷達低空探測盲區起到一定的補充作用。

在下一步的研究中，考慮先對兩部雷達進行統一標定，并確定雷達共同探測區域后再進行對比分析。